變頻智能控制系統(tǒng)在數(shù)字化油田中研究與應(yīng)用 

The frequency conversion intelligent control system studies and the application in digital carburetion Tanaka

摘要：目前，國(guó)內(nèi)外許多電力拖動(dòng)場(chǎng)合已將矢量控制的變頻器廣泛應(yīng)用于通用機(jī)械、紡織、印染、造紙、軋鋼、化工、石油等行業(yè)中交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，已明顯取得節(jié)能效果并滿足工藝和自動(dòng)調(diào)速要求。目前油田節(jié)能降耗，建造數(shù)字化油田已成為中國(guó)石油行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。采用變頻調(diào)速及RTU系統(tǒng)，無(wú)線通信系統(tǒng)和上位機(jī)分析軟件對(duì)油田油井的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)工況進(jìn)行診斷，遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。從而降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。節(jié)能降耗，使抽油機(jī)運(yùn)行在最佳理想狀態(tài)。本文介紹以保利新能源科技（北京）有限公司的變頻智能控制系統(tǒng)在數(shù)字化油田中應(yīng)用情況

關(guān)鍵字：數(shù)字化油田，節(jié)能，變頻器，智能控制，RTU系統(tǒng)，上位機(jī)。

Abstract：At present, the domestic and foreign many electric drive situation has widely applied vector control's frequency changer in general professions and so on machinery, spinning and weaving, printing, papermaking, steel rolling, chemical industry, petroleum motor's stepless speed regulation, has made the energy conservation progress obviously and satisfies the craft and the automatic velocity modulation request. At present the oil field energy conservation falls consumes, the construction digitization oil field has become the Chinese petroleum profession the development targets. Uses the frequency conversion velocity modulation and the RTU system, the wireless communication system and the superior machine analysis software to the oil field oil well's running status real-time monitoring, carries on the diagnosis to the operating mode, long-distance automatic control running status. Thus reduces the worker labor intensity. The energy conservation falls consumes, causes the pumping unit movement at the best perfect condition. This article introduced that guarantees the advantage new energy science and technology (Beijing) Limited company's frequency conversion intelligent control system in the digital carburetion Tanaka application situation

Key words：Digitized oil field ，Energy conservation ，F(xiàn)requency changer ，Intelligent control ，RTU system ，Superior machine 。

一、 前言
      我國(guó)的油田絕大部分為低能、低產(chǎn)油田，不像國(guó)外的油田有很強(qiáng)的自噴能力，大部分油田要靠注水來(lái)壓油入井，靠抽油機(jī)（磕頭機(jī)）把油從地層中提升上來(lái)。以水換油、以電換油是目前我國(guó)油田的現(xiàn)實(shí)，電費(fèi)在我國(guó)的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例，所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能、增產(chǎn)、減少設(shè)備維護(hù)等。
    目前據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)抽油機(jī)的保有量在10萬(wàn)臺(tái)以上，電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘吭?500MW，年耗電逾百億KW·h。抽油機(jī)的運(yùn)行效率特別低，在我國(guó)平均運(yùn)行效率為25.96％，國(guó)外平均水平為30.05％，年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億KW·h。除了抽油機(jī)之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵、潛油泵等設(shè)備，總耗電量超過(guò)油田總用電量的80％，?？梢?jiàn)，石油行業(yè)也是推廣“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”的重點(diǎn)行業(yè)。
    抽油機(jī)節(jié)能，其首選方案是采用變頻器對(duì)其電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，抽油機(jī)改用變頻器拖動(dòng)后有以下幾個(gè)好處：
     1）大大提高了功率因數(shù)（提高到0.9以上），大大減小了供電（視在）電流，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，降低了線損，可省去大量的“增容”開支;
     2）可根據(jù)油井的實(shí)際供液能力，動(dòng)態(tài)調(diào)整抽取速度，一方面達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)還可以增加原油產(chǎn)量;
     3）由于實(shí)現(xiàn)了真正的“軟起動(dòng)”，對(duì)電動(dòng)機(jī)、變速箱、抽油機(jī)都避免了過(guò)大的機(jī)械沖擊，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。
  

  4）提高了自動(dòng)化水平，通過(guò)RTU系統(tǒng)，和上位機(jī)系統(tǒng)能對(duì)油井進(jìn)行工況分析和診斷，通過(guò)分析的結(jié)果自動(dòng)通過(guò)RTU發(fā)出指令來(lái)改變抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，形成閉環(huán)控制，

  但是，變頻器用于抽油機(jī)電機(jī)時(shí)，也有幾個(gè)問(wèn)題需要解決。
    （1） 沖擊電流問(wèn)題
    如圖1所示，游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對(duì)于支架來(lái)說(shuō)，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動(dòng)力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作。也就是說(shuō)抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞。在平衡率為100％時(shí)電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力越大。因?yàn)椋橛洼d荷是每時(shí)每刻都在變化的，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)變得十分復(fù)雜。因此，可以說(shuō)游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)

（2）電磁干擾（EMI）問(wèn)題，即變頻器對(duì)微電腦控制器，傳感（變送）器及通信設(shè)備的干擾問(wèn)題。因?yàn)樽冾l器是一個(gè)很強(qiáng)的電磁干擾源，變頻器中的開關(guān)器件，以及產(chǎn)生的SPWM電壓波形，會(huì)對(duì)控制及通信系統(tǒng)造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應(yīng)，輻射之外，也包括傳導(dǎo)干擾。

（3）諧波干擾問(wèn)題，變頻器對(duì)輸入側(cè)產(chǎn)生諧波對(duì)變頻器而言只要有整流回路就將產(chǎn)生非線性引起的諧波，按傅氏級(jí)數(shù)可分解基波和各次諧波，通常含有6m+1(m=1,2,3,…….)次。在變頻器逆變輸出回路中輸出電壓輸出電流均有諧波。由于變頻器是通過(guò)CPU產(chǎn)生6組脈寬可調(diào)的SPWM波控制三相6組功率元件導(dǎo)通/關(guān)斷，從而形成電壓、頻率可調(diào)三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由SPWM波和三角波的交點(diǎn)產(chǎn)生的，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波用傅氏級(jí)數(shù)分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強(qiáng)的高次諧波成分。

      因此 變頻器的諧波產(chǎn)生危害不可忽視對(duì)容量大的電力系統(tǒng)影響不是十分明顯，但對(duì)于電力系統(tǒng)容量小的系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生不可忽視。它對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染，使電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，給周圍的通信系統(tǒng)和公用網(wǎng)以外的設(shè)備帶來(lái)危害。主要表現(xiàn)在一下幾點(diǎn)：1、諧波使電網(wǎng)中電器元件產(chǎn)生附件的諧波損耗，降低輸變電及用電設(shè)備的效率。2、諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部串聯(lián)或并聯(lián)諧振，3、電流諧波將增加變壓器銅損。4、諧波引起電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)額外溫升并影響電機(jī)絕緣。
   （4）    可靠性和環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題
    由于抽油機(jī)都在環(huán)境惡劣的野外工作，并且很多油井是無(wú)人值守的，所以，對(duì)變頻器及RTU傳輸系統(tǒng)可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力提出了很高的要求：既要選用可靠性指標(biāo)高的變頻器品牌，又要給變頻器在野外惡劣環(huán)境下工作創(chuàng)造必要的條件，如設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)高的雙層密閉隔墊（保溫）控制柜，對(duì)晝夜溫差大的地區(qū)，柜內(nèi)設(shè)計(jì)強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)，可以將柜內(nèi)的熱量排出，并在柜底設(shè)計(jì)有冷空氣入口，使之適合在夏季沙漠高溫環(huán)境中使用。并使控制柜避免陽(yáng)光直接照射及雨淋。

( 5 ) 信號(hào)傳輸問(wèn)題，由于油田地處偏遠(yuǎn)地區(qū)或山區(qū)，油井的不集中等原因使信號(hào)較弱對(duì)無(wú)線傳輸存在很大問(wèn)題。其次傳輸費(fèi)用較高，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。

二、變頻智能控制系統(tǒng)

      變頻智能控制系統(tǒng)是保利新能源科技（北京）有限公司依靠自身研發(fā)，技術(shù)力量為打造人性化，智能化，數(shù)字化油田而設(shè)計(jì)的高科技變頻智能控制系統(tǒng)。變頻智能控制系統(tǒng)代表著當(dāng)今抽油機(jī)節(jié)能控制技術(shù)和建設(shè)數(shù)字化油田一項(xiàng)革命性突破，實(shí)現(xiàn)了四大突破：突破了原有單一變頻控制和單一RTU傳輸系統(tǒng)，突破了安裝有線傳感器的困擾，突破了RTU和變頻無(wú)閉環(huán)控制系統(tǒng)，突破了功圖量油產(chǎn)液量不準(zhǔn)。使現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，計(jì)量準(zhǔn)確，診斷分析更優(yōu)，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，盡量使抽油機(jī)的工作方式與油井的實(shí)際負(fù)荷及環(huán)境條件相匹配，提高抽油機(jī)的充滿度，從而提高電動(dòng)機(jī)的效率與功率因數(shù)，和系統(tǒng)效率，達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的。

1、變頻智能控制系統(tǒng)是綜合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，針對(duì)抽油機(jī)的特殊負(fù)載情況專門設(shè)計(jì)的具有變頻控制，RTU傳輸和上位機(jī)分析等高科技產(chǎn)品。
該系統(tǒng)保留了游梁式抽油機(jī)諸多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合先進(jìn)的采油工藝，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子等技術(shù)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的智能控制：抽油機(jī)沖次和上下沖程速比無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，優(yōu)化抽汲參數(shù)，達(dá)到增產(chǎn)、節(jié)能、自控的目標(biāo)，最終提高抽油系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。系統(tǒng)的人機(jī)接口界面設(shè)計(jì)極其簡(jiǎn)單，為現(xiàn)場(chǎng)人員的使用及維護(hù)帶來(lái)極大方便。特別適用工作環(huán)境特別惡劣的油井，需要間歇工作的油井，經(jīng)常斷桿的油井，經(jīng)常結(jié)臘的油井，經(jīng)常改變井況的油井。
1.1產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理：

圖一：系統(tǒng)框圖

      該系統(tǒng)使用的關(guān)鍵設(shè)備變頻器符合歐洲CE低壓電器標(biāo)準(zhǔn)，符合國(guó)際UL508C電力轉(zhuǎn)換設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，以及符合國(guó)際EN50081/2電磁兼容性EMC標(biāo)準(zhǔn)，
且有為抽油機(jī)專門設(shè)計(jì)的功能，內(nèi)含直流電抗器，輸入電抗器，輸出電抗器，減少了對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾，提高了電網(wǎng)質(zhì)量；諧波符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-2-2各次諧波電壓含有的THDV低于8%，內(nèi)含RFI無(wú)線電射頻干擾濾波器，極大改進(jìn)了抗干擾和抗雷擊功能；內(nèi)含制動(dòng)單元，能夠有效地釋放制動(dòng)能量，形成集成控制，適應(yīng)抽油機(jī)的特殊應(yīng)用。抽油機(jī)變頻監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)是以“以人為本”設(shè)計(jì)理念使產(chǎn)品更具人性化。能進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)視。根據(jù)各種功能模塊和相應(yīng)的傳感器的檢測(cè)，將油井實(shí)測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)、參數(shù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)控中心進(jìn)行運(yùn)算比對(duì)，并通過(guò)矢量變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)控制，以達(dá)到高效節(jié)能的自動(dòng)化、數(shù)字化的控制目的。人性化的設(shè)計(jì)能進(jìn)行通過(guò)HMI(人機(jī)交換界面)完成遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、  運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)顯示、功圖、日產(chǎn)油量等參數(shù)。    
1.2． 變頻器單元作為變頻調(diào)速技術(shù)的實(shí)施單元，是整個(gè)系統(tǒng)最重要的器件之一，本系統(tǒng)配置的是保利新能源科技（北京）有限公司生產(chǎn)的矢量型PL-900系列高性能變頻器。PL-900系列高性能變頻器是沿續(xù)通用變頻器，在 V/F 控制上標(biāo)準(zhǔn)裝備了矢量控制。和力矩控制可實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)功率及輸出轉(zhuǎn)矩。變頻器額定電壓380-440V，額定功率范圍5.5-75KW，過(guò)載能力為：200%*60秒。
 開關(guān)環(huán)磁通矢量控制及開，閉環(huán)V/F控制可自由選擇。
 適合機(jī)械特性負(fù)載，針對(duì)流體負(fù)載和實(shí)際工況可酌情降檔使用。
 超低速高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，低速轉(zhuǎn)矩可達(dá)150%額定轉(zhuǎn)矩（100~300可設(shè)定）。
 速度控制范圍可達(dá)1:1000(在閉環(huán)控制模式下)。
 速度控制精度可達(dá) 0.02%，頻率精度可達(dá) 0.01%，輸出頻率分辨率可達(dá)0.01HZ。
 加速時(shí)間可設(shè)定0.01秒，動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，負(fù)載適應(yīng)性極強(qiáng)。
 具有滑差補(bǔ)償，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，速度控制（ASR），鍵盤數(shù)據(jù)復(fù)制，自學(xué)習(xí)。
 PID調(diào)節(jié)，計(jì)時(shí)，節(jié)能，追逐防止等多種高級(jí)功能。
 具有多功能輸入，輸出端子功能，多功能模擬輸入，輸出功能及串行通信接口。
 具有7種參數(shù)的在線監(jiān)視功能。
 具有電機(jī)保護(hù)，瞬時(shí)停電處理及失速防止，頻率檢出，異常復(fù)位，過(guò)力矩輸出，力矩極限，硬件保護(hù)功能及診斷功能，將避免機(jī)器可能發(fā)生的意外損壞。
 獨(dú)特，先進(jìn)的主回路設(shè)計(jì)及報(bào)警功能，將完全保證整體的高可靠性。
具有中、英、德等七種語(yǔ)言顯示，界面友好。
1.3：智能控制單元是我公司針對(duì)油田而專門開發(fā)的控制系統(tǒng)用戶可以在線監(jiān)控線電壓，相電壓，有功功率，功率因數(shù)，電流等電參量。對(duì)電動(dòng)機(jī)有啟動(dòng)堵轉(zhuǎn)、過(guò)載、欠壓、過(guò)壓、缺相、短路、欠載報(bào)警保護(hù)功能，及油田各項(xiàng)的地上效率和地下效率指標(biāo)，和桿柱組合分析等功能。
上位機(jī)界面分析系統(tǒng)：

 圖五 變頻控制欄能對(duì)抽油機(jī)遠(yuǎn)程啟停機(jī)控制監(jiān)測(cè)輸出頻率和功率

1.4：無(wú)線載荷位移模塊用于采集示功圖，位移，沖程，太陽(yáng)能供電鋰電池。頻率426-441MHZ，低功率發(fā)射，高靈敏接受，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)油井的油壓，油溫進(jìn)行無(wú)線傳輸，在線監(jiān)測(cè)。
1.5 溫控單元 抽油機(jī)控制柜中的電器組件對(duì)溫度都有嚴(yán)格要求，因此必須檢測(cè)和控制控制柜內(nèi)溫度。本單元主要器件包括溫控儀、風(fēng)扇，溫度傳感器和加熱系統(tǒng)等。適應(yīng)范圍廣 -40℃-75℃ 特別適用于沙漠高溫及北部寒冷地區(qū)。
1.6 戶外標(biāo)準(zhǔn)柜體，專利設(shè)計(jì)，雙層保溫設(shè)計(jì)， 防風(fēng)沙 ，防護(hù)等級(jí)高。
2、產(chǎn)品特性：
      針對(duì)國(guó)內(nèi)各大油田的實(shí)際狀況本產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上處于領(lǐng)先地位的人性化設(shè)計(jì)具有工頻和變頻，手動(dòng)和自動(dòng)等多種工作模式的選擇。遠(yuǎn)程給定頻率調(diào)節(jié)沖次，自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)等功能，極大的減少油田工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高油田數(shù)字化
      本設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)大慶油田、吉林油田、克拉瑪依油田已得到廣泛應(yīng)用效果明顯操作簡(jiǎn)單等受到一致好評(píng)。
三、應(yīng)用分析 

安裝前后對(duì)比顯示充滿度提高了，沖次降低了，節(jié)能顯著，系統(tǒng)效率提高了。
四、結(jié)論

1、解決了單一變頻和單一RTU獨(dú)立運(yùn)行模式。實(shí)現(xiàn)了RTU和變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)模式
2、由于智能控制系統(tǒng)中電機(jī)軟啟動(dòng)功能的使用，減少了對(duì)地面機(jī)械采油設(shè)備的機(jī)械沖擊。延長(zhǎng)了機(jī)械設(shè)備的使用壽命，降低了采油成本。
3、由于智能自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的使用。在國(guó)內(nèi)首次完成了油田采出井的地下到地面的系統(tǒng)變化控制，使整個(gè)采出井開采系統(tǒng)效率有了極大的提高。
4、該技術(shù)整合了無(wú)線通信、智能等多學(xué)科的新成果，打造數(shù)字化油田，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)抽油機(jī)運(yùn)行電參數(shù)。功率圖 ，電流圖，示功圖，油溫，油壓等。實(shí)時(shí)掌握抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。及油井靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的建立。
5、實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，該技術(shù)對(duì)低滲透油田提高系統(tǒng)效率，延長(zhǎng)檢泵周期，節(jié)約電能和降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度都將起到很好作用。
6、完全實(shí)現(xiàn)油田數(shù)字化。

姓名： 張治中                             
性別：男                                  
學(xué)歷：本科                               
單位：保利新能源科技（北京）有限公司
職務(wù)：研發(fā)工程師
通信地址：北京市昌平區(qū)西沙工業(yè)區(qū)10號(hào)
郵編：102209
電話：13611246027
E-mail：zhangzhizhong2528@yahoo.com.cn